צוות המחקר של Li Mingtao מבית הספר להנדסה כימית של אוניברסיטת שיאן ג’יאוטונג עשה פריצת דרך ביישום סוללות ליתיום גופרית על ידי תכנון ופיתוח של חומר קתודה עם שכבת הגנה דו מימדית של גרפן. לחומר הקתודי הזה יש חיי מחזור ארוכים.

אינטרקלציה דו-ממדית G-C2N3/גרפן יוצר רשת כרישים רב-שכבתית בין האלקטרודות החיוביות והשליליות של הסוללה. זה לא רק יכול לחסום את תנועת הפוליסולפידים בין האלקטרודות החיוביות והשליליות באמצעות שימושים פיזיקליים וכימיים, אלא גם להאיץ את הדיפוזיה של יוני ליתיום, ובכך להגדיל מאוד את חיי המחזור של הסוללה.

במדינה שלי, הפיתוח של סוללות ליתיום גופרית מאוחר יחסית, והוא עדיין בשלב המחקר והפיתוח המעבדתי, עם מעט יישומים מעשיים. השפעת המעבורת הנגרמת כתוצאה מהתמוססות של מוצר הביניים ליתיום גופרתי במהלך תהליך הטעינה והפריקה של סוללות ליתיום גופרית נחשבת לגורם מפתח המגביל את היישום המעשי שלה.

סגן הנשיא לשעבר של צ’ינגהאי, ד”ר לי טכנאי טכנולוגיה, אמר פעם שמעבורת החלל המומסת בפוליסולפיד היא הבעיה החשובה והקשה ביותר של סוללת ליתיום-גופרית, ועבודות השיפור הקשורות לכך עדיין בשלב הראשוני, אבל הוא אופטימי שליתיום-גופרית ניתן להשתמש בסוללות כסוללות משניות. עם צפיפות אנרגיה גבוהה, יש לו סיכויי פיתוח רחבים.

בהשוואה ל-NCM הטרינרי של הזרם המרכזי הנוכחי, האנרגיה הספציפית התיאורטית של סוללת קתודית הגופרית היא עד 2600Wh/kg, שהם יותר מפי עשרה מזו של סוללת הליתיום הנפוצה כיום. בנוסף, עתודות הגופרית הן בשפע וזול, מה שעשוי לסייע בהורדת מחירם של כלי רכב חשמליים המונעים באמצעות סוללות ליתיום.

בשנת 2016, הוועדה הלאומית לפיתוח ורפורמה הציעה פריצת דרך בטכנולוגיית סוללות ליתיום-גופרית עם צפיפות אנרגיה של 300Wh/kg ב”תוכנית הפעולה של מהפכה טכנולוגית אנרגיה וחדשנות (2016-2030)”.

לעומת זאת, על פי צעדי הפעולה לקידום פיתוח תעשיית כוח הרכב ותוכנית הפיתוח לטווח בינוני וארוך עבור תעשיית הרכב שפורסמה ב-2017, היחס בין מכונה בודדת יכול להגיע ליותר מ-300Wh/kg עד 2020, וכן היחס בין מכונה בודדת יכול להגיע ל-500Wh עד 2025. /ק”ג למעלה. צפיפות האנרגיה התיאורטית של סוללות ליתיום-גופרית גדולה מ-500Wh/kg, ולכן היא נחשבת לכיוון הפיתוח של הדור הבא של מערכות סוללות ליתיום כוח לאחר סוללות ליתיום.

על מנת לפתור את הבעיות המעשיות ביישום סוללות ליתיום גופרית, כולל צוות Qian Hanlin של אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין, צוות Wang Haihui של האוניברסיטה הטכנולוגית של דרום סין, צ’ינגדאו חומרי אחסון ואנרגיה מתקדמים צוות המחקר הטכנולוגי של האקדמיה הסינית למדעים, צוות המחקר של אוניברסיטת שיאמן כימית Nan Fengzheng וצוות המחקר של אוניברסיטת שנגחאי Jiaotong Wang עשו התקדמות פורצת דרך.

באוקטובר 2018, פרופסור וואנג, Yitaiqian ואוניברסיטאות שונות למדע וטכנולוגיה של סין (אוניברסיטת מדע וטכנולוגיה) מצאו שהביצועים הדינמיים של מיקום מרכז ה-p-band של אלקטרוני הערכיות ביחס לרמת הפרמי הם גורם חשוב ב-li -S סוללות ממשק תגובה להעברת אלקטרונים. החוקרים מצאו כי לחומר נושא הגופרית המבוסס על קובלט עם הקיטוב החיובי הקטן ביותר וביצועי הקצב הטובים ביותר יש קיבולת של 417.3 מהג-1 אפילו ב-40.0 מעלות צלזיוס, התואמת את צפיפות ההספק הגבוהה ביותר הנוכחית של 137.3 ק”ג-1. תוצאות המחקר פורסמו ב”Joule”, כתב עת בינלאומי לחומרי אנרגיה מעולים.

סוללת ליתיום-גופרית היא מערכת סוללת ליתיום חיובית ממתכת עם גופרית כאלקטרודה החיובית. כדי לפתור את בעיית הבטיחות של דנדריטים Li המיוצרים באלקטרודת המתכת החיובית באוניברסיטת שנגחאי ג’יאוטונג, הצוות של וואנג הכין סוג חדש של תמיסת אלקטרוליט של סוללת ליתיום (באמצעות ליתיום פלואורסולפונימיד כפול מומס בטריאתיל פוספט ובפלואורו-אתר נקודת הבזק גבוהה כדי להשיג אלקטרוליט רווי) . בהשוואה לאלקטרוליט בריכוז גבוה, לאלקטרוליט החדש יש עלות נמוכה וצמיגות נמוכה, משפר את ההגנה על אלקטרודת Li המתכת, יכול להסיר ביעילות את הדנדריטים של אלקטרודת Li ומבטל סכנות בטיחותיות פוטנציאליות. במקביל, הבטיחות והביצועים האלקטרוכימיים משופרים בתנאי טמפרטורה גבוהים מעל 60 מעלות צלזיוס.

בנוסף למחקר מדעי, חברות סוללות משתמשות גם בסוללות ליתיום-גופרית כאחת מהעתודות הטכניות שלהן, ודורשות באופן פעיל פריצות דרך טכנולוגיות. בין החברות הרשומות הללו, China Nuclear Titanium Dioxide, Tibet Urban Investment, Jinlu Group, Guoxun High-tech, Dream Vision Technology וחברות אחרות פרסו פרויקטים של סוללת ליתיום-גופרית.

למרות שלסוללות ליתיום-גופרית יש כמה בעיות בתהליך השגת צפיפות האנרגיה האידיאלית, קיימות דרישות גבוהות יותר לדלילות של יישומי סוללה מסוימים, כגון כלי טיס בלתי מאוישים (מל”טים), צוללות ותיקים של חיילים. עבור ספקי כוח למטרות אחרות, מכיוון שהמשקל חשוב יותר מהמחיר או מהחיים, החלו להכניס סוללות ליתיום גופרית לשימוש מעשי. סוללת הליתיום-גופרית החדשה שפותחה על ידי חברת הסטארט-אפ הבריטית Oxis Energy יכולה לאחסן כמעט פי שניים מהאנרגיה לכל קילוגרם של סוללות ליתיום המשמשות כיום בכלי רכב חשמליים. עם זאת, הם לא יכולים להחזיק מעמד זמן רב והם ייכשלו לאחר כ-100 מחזורי טעינה-פריקה. המטרה של מפעל הפיילוט הקטן של Oxis היא לייצר 10,000 עד 20,000 סוללות בשנה. אומרים שהסוללה ארוזה בתיק דק בגודל של טלפון נייד. למה אנחנו צריכים לקדם את התחדשות ומיחזור של סוללות ליתיום כוח בהקדם האפשרי? למרות שמשאבי הליתיום של ארצי נמצאים במקום הרביעי בעולם, בגלל הדרגה הירודה של עפרות הליתיום, קושי הטיהור והעלות הגבוהה, מיובאת כמות גדולה של עפרות ליתיום מדי שנה, ומידת התלות הזרה עולה על 85% . בנוסף, הביקוש הסיני גם הניע את המחיר של ליתיום קרבונט בדרגת סוללה זינק. בשנים האחרונות המחיר עלה כמעט פי שלושה, מה שהגדיל מאוד את עלויות הרכש של יצרניות סוללות ליתיום סיניות. מצד אחד, ביטול סוללות ליתיום כוח הוא “מכרה עירוני” יקר. תכולת המתכות גבוהה בהרבה מזו של עפרות, ליתיום, קובלט, ניקל ומתכות יקרות אחרות. מיחזור ומיחזור יכולים לשפר את יעילות ניצול המשאבים, להפחית את היבוא ולהפחית את התלות החיצונית באסטרטגיית המשאבים הלאומית ולהגן עליה. ג’אנג טיאנרן אמר כי מצד שני, מנקודת המבט של מניעת זיהום והגנה על הסביבה, אם סוללות ליתיום שנזרקו לא יסולקו כהלכה, הן יגרמו גם לפגיעה רבה בסביבה האקולוגית.

על מנת לקדם טוב יותר את השחזור והשימוש החוזר של סוללות ליתיום לרכבי אנרגיה חדשים, להגן על הסביבה האקולוגית ולהבטיח את בטיחות המשאבים האסטרטגיים הלאומיים, ישנם שלושה נושאים חשובים: מערכת המיחזור הלא מושלמת, טכנולוגיית ההתחדשות הבלתי בשלה והחלשים מנגנון תמריץ. מספר היבטים העלו הצעות לקידום הפיתוח הבריא והבר-קיימא של תעשיית הרכב האנרגיה החדשה של ארצי.

זירוז פיתוח התקנים ואיחוד תקני ניהול הם הבסיס לביצוע עבודות נלוות. הוא הציע למחלקות הרלוונטיות להאיץ את גיבוש תקני ניהול, תקנים טכניים ותקני הערכה למיחזור ושימוש חוזר של סוללות משומשות. עודדו אזורים בעלי יתרונות תעשייתיים לגבש תוכניות פיקוח על סוללות ליתיום אנרגיה חדשות, שחזור ומחזור ואמצעי יישום, ובאמצעות פיילוטים ראשוניים, לחקור אמצעי יישום לאומיים שתואמים יותר את המציאות בתעשייה ואפשרי תפעול יותר.